Увид во наносветот на митохондриите и организацијата на нивната генетска шминка
Електрани на нашите клетки: митохондрии
Клетките на цицачите имаат јадро во кое е кодиран главниот дел од генетските информации и други органски клетки на клетките кои преземаат различни функции во рамките на клетката. Една од најважните компоненти на клетките се митохондриите (Сл. 1) Тие се таканаречени електрани на клетките и се одговорни за снабдување на организмот со енергија. Се претпоставува дека митохондриите некогаш биле независни бактерии и дека тие влегле во симбиоза со оригинална, едноставна клетка претходник. Оваа хипотеза научниците ја темелат на фактот дека митохондриите имаат двојно клеточна мембрана и свој специјализиран геном. Овој митохондријален геном кодира некои исклучително важни протеини, но само во комбинација со информациите од клеточното јадро, предвидените функции можат целосно да се исполнат. Преку соединување на клетки претходници и бактерии и последователен понатамошен развој на оваа симбиоза, се формира неразделна и фино регулирана единица, еукариотската клетка.
Сл. 1: Митохондриите се електрани на клетките. Клеточните органели се опкружени со двојна мембрана и имаат свој геном (mtDNA). Компонентите на респираторниот ланец се наоѓаат во внатрешната мембрана. Транспортот на електрони долж овие компоненти создава градиент на протон што го придвижува ензимот АТП синтаза. Ова создава аденозин трифосфат (ATP), универзална „енергетска монета“ што може да се користи во сите клетки.
Универзален извор на енергија ги снабдува сите процеси во телото
Митохондриите се разграничени органели кои се опкружени со двојно клеточна мембрана. Протеинските комплекси на респираторниот ланец се наоѓаат во внатрешната мембрана. За време на дишењето на клетките, се создава енергија во форма на молекула аденозин трифосфат (АТП) во текот на хемиосмотскиот процес. За да го направите ова, електроните се пренесуваат по внатрешната митохондријална мембрана од еден протеински комплекс во следната, над вкупно три станици. На крајот, електроните се пренесуваат во кислород, создавајќи вода. Во текот на транспортот на електрони, протоните се транспортираат нанадвор, што создава разлика во полнежот од двете страни на внатрешната митохондријална мембрана. Овој протонски градиент се користи од таканаречените АТП-синтези. Преку нивниот премин сличен на канал, протоните можат да се водат назад во внатрешноста на митохондрионот на контролиран начин; енергијата достапна како резултат на градиентот на протонот се користи за генерирање на АТП. АТП е средно складирање на енергија и универзален извор на енергија што може да се користи во сите ткива.
Некои гени во митохондријалната ДНК кодираат одредени под-единици на оние протеини кои се вклучени во респираторниот ланец, додека други под-единици се кодирани во клеточното јадро. Интеракцијата помеѓу митохондријалната и нуклеарната ДНК затоа бара прецизна координација помеѓу двата генома. Најмалите неправилности или неисправното производство на еден од овие протеини доведуваат до дисфункција на митохондриите [1]. Последователно се опишани голем број клинички патологии, како што се кардиомиопатија (срцево заболување), деменција и атаксија (болест што се манифестира со некоординирани движења). По акумулацијата на мутациите во митохондријалната ДНК и како резултат на митохондријалната дисфункција, опишани се и типичните феномени на стареење, како што се развој на остеопороза, сивило и опаѓање на косата, намалување на телесната тежина и губење на поткожно масно ткиво, анемија, проширување на срцето, глувост и намален животен век. Покрај тоа, се покажа дека дисфункција на митохондријата придонесува за развој на болести поврзани со стареењето, како што се дијабетес мелитус и Паркинсон [2].
Нуклеоиди, организациска единица во митохондриите
На сликата е прикажана човечка клетка на кожата, со митохондриите (електрани на клетката) прикажани со црвена боја, клеточното јадро со сина боја и генетскиот материјал на митохондриите со зелена боја. Митохондриите формираат мрежа што се протега низ целата клетка. Тие обезбедуваат енергија што им е потребна на клетките.
Во самите митохондрии, генетскиот материјал и протеините се организирани во комплекси, т.н. митохондријални нуклеоиди. Овие единици играат важна улога во наследството, бидејќи митохондријалниот геном се пренесува само од мајка на дете (Сл. 2).
Митохондријалните комплекси на нуклеоидите може да се направат видливи како точни структури во микроскопот. Границата на резолуција на конвенционалната светлосна микроскопија е околу 250 нанометри, што одговара на милионити дел од милиметарот. Но, дури и оваа импресивна резолуција е сè уште премногу груба и досега не дозволуваше попрецизен увид во структурата на нуклеоидите. Ова е токму местото каде што истражувачите од Келн, Гатеборг и Гетинген започнаа со најновата микроскопија STED со висока резолуција, која беше развиена во Институтот за биофизичка хемија во Макс Планк во работната група на Stefan Hell. Со помош на оваа технологија може да се постигне 5 пати поголема резолуција отколку порано (Сл. 3).
СТЕД микроскопија со супер висока резолуција овозможува подлабок увид во организациските структури на митохондријалниот геном. Во прикажаната ќелија, митохондриите (електрани на ќелијата) се обоени во црвена боја, клеточното јадро во сино и генетскиот материјал на митохондриите во зелена боја. Благодарение на микроскопијата со супер висока резолуција, индивидуалните геномски молекули можат да се одделат појасно едни од други за прв пат. Голема молекула може да се распадне на неколку мали, независни молекули. Нуклеоидот, организациската структура во рамките на митохондриите, содржи само една молекула на генетски материјал, заедно со приближно 1000 молекули на протеинот за пакување TFAM. TFAM на тој начин ја формира главната компонента на нуклеоидите.
Овие фундаментални увиди во организациската структура на митохондријалниот геном се од особено значење за разбирање на болести кои се митохондријално наследени, т.е. од мајка на дете. Овие вклучуваат, на пример, хронично прогресивна надворешна офталмоплегија (парализа на мускулите на окото), наследна невропатија чувствителна на моторот (мускулно трошење) и болест МЕЛАС (митохондријална миопатија: сериозна невролошка болест што доведува до некоординирани движења и, во ретки случаи, позната како митохондријален дијабетес мелитус оди заедно).
Покрај тоа, одамна е познато дека постои врска помеѓу електраните на ќелијата и стареењето. Со возраста, мутациите што се случуваат природно можат да се акумулираат во митохондријалната ДНК, што влијае на производството на енергија на клетките, а со тоа и на снабдувањето со органи.